45981

Саморегулирование электродвигателей

Лекция

Физика

Под искусственным понимают изменение скорости электродвигателя, возникшее в результате изменения параметров питающей сети или самого электродвигателя при помощи схемы управления электродвигателя.

Русский

2014-03-28

137.57 KB

44 чел.

ТЕМА ЛЕКЦИИ 11

Саморегулирование электродвигателей

ПЛАН ЛЕКЦИИ

  1.  Естественное и искусственное изменение скорости электродвигателей
  2.  Саморегулирование электродвигателей постоянного тока
  3.  Саморегулирование асинхронных двигателей
  4.  Активной и реактивная составляющие тока в асинхронном двигателе

Изменение скорости электродвигателей

Различают два вида изменения скорости электродвигателя:

  1.  естественное;
  2. искусственное.

Под естественным понимают изменение скорости электродвигателя, возникшее в результате изменения статического момента механизма.

При естественном изменении  скорости электродвигатель работает на своей естественной механической характеристике.

Под искусственным понимают изменение скорости электродвигателя, возникшее в результате изменения параметров питающей сети или самого электродвигателя при помощи схемы управления электродвигателя.

Под изменением параметров сети понимают:

  1. на постоянном токе – напряжение питающей сети;
  2. на переменном токе - напряжение и частота питающей сети.

Под изменением параметров электродвигателя понимают:

  1. на постоянном токе – изменение сопротивления цепи обмотки якоря или параллельной (независимой) обмотки возбуждения;
  2. на переменном токе - изменение сопротивления цепи обмотки статора или обмотки фазного ротора.

Если многоскоростной асинхронный двигатель имеет на статоре несколько обмоток (обычно 2….3) с разным числом пар электромагнитных полюсов, то механические характеристики, соответствующие работе двигателя на каждой скорости, являются естественными.

При искусственном изменении  скорости электродвигатель работает на  искусственной механической характеристике.

 Искусственные механические характеристики предназначены для изменения (регулирования) скорости электродвигателя в соответствии с технологическими особенностями работы механизма. Например, электроприводы грузовых лебедок на постоянном токе могут иметь до 6 скоростей, на переменном токе – обычно 3 скорости.

Следует сделать важное замечание: при работе двигателя на искусственной характеристике одновременно может происходить и естественное изменение скорости электродвигателя вследствие изменения статического момента механизма.

Например, при выбирании якоря при помощи ЯШУ скорость электродвигателя, работающего на искусственной характеристике вначале может быть большой, а затем, по мере увеличения натяжения якорь-цепи, будет постепенно уменьшаться, вплоть до полной остановки электродвигателя с его переходом в режим стоянки под током.

При естественном изменении скорости возникает процесс саморегулирования элекродвигателей постоянного и переменного тока.

 Любое изменение статического момента механизма (т.е. механической нагрузки на валу рабочего органа электропривода) автоматически приводит к такому же изменению электромагнитного момента двигателя в результате возникающего при этом процесса саморегулирования электродвигателя.

Под саморегулированием понимают автоматическое изменение электромагнитного момента двигателя вследствие изменения статического момента (момента сопротивления) механизма.

Саморегулирование электродвигателей постоянного тока

       Рассмотрим процесс саморегулирования двигателя постоянного тока при помощи логической цепочки:

М ↑→ ω↓→ Е↓ = с ωФ → М=  с IФ↑  (11-1)

Словами: при увеличении механической нагрузки на валу (механического момента) скорость электродвигателя ω, а значит, значение противоэлектродвижущей силы (противо Э.Д.С. пропорциональная скорости и магнитному потоку Е= с ωФ)  обмотки якоря двигателя  уменьшаются, что приводит к увеличению тока якоря двигателя

I=

и его электромагнитного момента

М= с IФ.

Сравнивая начало логической цепочки (увеличение механического момента) и её конец ( увеличение электромагнитного момента двигателя ), можно сделать вывод:

увеличение механического момента на валу автоматически привело к увеличению электромагнитного момента двигателя.

При этом  скорость электродвигателя уменьшилась, а ток увеличился.

Аналогичную цепочку можно записать и для саморегулирования асинхронного двигателя переменного тока.

 Такая взаимосвязь  механической нагрузки на валу и электромагнитного момента двигателя объясняется действием закона сохранения энергии – чем больше нагрузка механизма, тем больше нагрузка электродвигателя.

                    Процесс саморегулирования двигателей постоянного тока протекает следующим образом.[гер.375]

Все ЭД обладают свойством саморегулирования, то есть автоматически создают  вращающий момент  равный моменту статического сопротивления  на валу двигателя при постоянной частоте вращения вала ЭД. Статистический момент сопротивления создается рабочим механизмом.

Электромеханический процесс саморегулирования протекает следующим образом. Пусть ЭД работает на холостом ходу (без нагрузки, механизм не нагружен) . Однако при холостом ходе и двигатель и механизм создают моменты сопротивления: двигатель создаёт момент а механизм создаёт момент . Эти моменты уравновешивают друг друга

 

,

в результате их уравновешивания   устанавливается угловая скорость вала двигателя

.

Если появилась нагрузка на механизме момент сопротивления механизма  увеличился до значения  :

Тогда в соответствии с известным уравнением механики вращательного движения:

где  – момент инерции вращающихся масс, появляется отрицательное ускорение   (так как ) и скорость якоря  , под действием отрицательного ускорения, начинает уменьшаться. Но вместе со скоростью уменьшается противо  Э.Д.С.

а ток якоря

                                       (11-2)

и вращающий момент    возрастают. Когда вращающий момент двигателя  станет равным возросшему моменту сопротивления механизма

ускорение   станет равным нулю.

         Уменьшение скорости прекратится и установится  новое значение  скорости  меньшее первоначальной:

При новой установившейся скорости момент определяется выражением

где  значение тока якоря при новой установившейся скорости

следовательно, в работающем двигателе ток якоря

определяется моментом на валу и магнитным потоком возбуждения.

В двигателях  постоянного тока, ток  якоря зависит от момента нагрузки  на валу и магнитного  потока возбуждения, за счёт саморегулирования, с увеличением нагрузки на валу двигателя электромагнитный момент и ток якоря увеличиваются, а скорость уменьшается.

Саморегулирование асинхронных двигателей (АД)

         Асинхронные двигатели, как и все электрические машины, обладают свойством саморегулирования. Это свойство заключается в следующем, при изменении противодействующего момента  , создаваемого рабочим механизмом, автоматически изменяется вращающий момент двигателя  

и восстанавливается нарушенное равновесие моментов  (независимо от причины нарушения равновесия) двигателя и механизма.

Равновесие моментов устанавливается при новом значении скорости вращения вала ЭД.

         Необходимым условием работы асинхронного двигателя (АД) является скольжения S:

          где:   – угловая скорость вращающегося поля статора,

                   –     частота тока питающей сети;

                     –    число пар полюсов статора двигателя;

                   –   угловая скорость ротора двигателя.

Таким образом, поле статора относительно ротора вращается с угловой скоростью  (то есть поле статора проскальзывает по отношению к ротору):

         С этой скоростью  поле статора пересекает обмотку ротора и индуцирует (наводит) в роторе ЭДС    изменяющееся с частотой :

                                (11-3)

При выводе уравнение (11-3) умножили и разделили на .      

        При изменении нагрузки на валу двигателя скорость ротора  изменяется, соответственно изменяется  скольжение S, а так же частота тока в роторе  и Э.Д.С. ротора.

         Если обозначить через  – ЭДС неподвижного ротора. Тогда для вращающегося ротора  обозначим Э.Д.С. – :

                       (11-4)

подставим значение , получим, что ЭДС вращающегося ротора  и  индуктивное сопротивление вращающегося ротора  зависят от скольжения (выражения 11-5):

                                                   (11-5)

где:  –    индуктивное сопротивление вращающегося ротора;

          –    индуктивность обмотки ротора.

Тогда по закону Ома получим ток в роторе :

Выражение (11-6)  соответствует неподвижному ротору с сопротивлением  и , в котором под действием ЭДС  создается ток ротора .

Для того, чтобы рассматривать ротор совместно со статором (при отсутствии между ними электрической связи) параметры цепи ротора заменим приведенным (через коэффициент трансформации ) значениями к цепи статора:

где  и  – соответственно число витков в обмотке статора и ротора.

Каждому режиму АД соответствует определенная область скольжения:

от    генераторный режим (отрицательное скольжение,  скорость ротора больше   –   скорости поля статора) ;

от      ;       двигательный режим (скорость ротора меньше скорости поля статора);

от  ;  режим противовключения (поле вращается против (навстречу) ротора).

Существует два промежуточных режима :

идеальный холостой ход  (момент );

короткое замыкание            (ротор стоит под током).

 

Процесс саморегулирования асинхронных двигателей при увеличении момента сопротивления механизма

          Если для АД, работающего с установившейся скоростью  и  моментом механизма , увеличить момент сопротивления на валу до значения , то скорость ротора будет падать. Скольжение будет увеличиваться. При увеличении скольжения будет расти Э.Д.С. в фазе ротора , соответственно будет расти ток ротора и электромагнитный момент двигателя. 

      С ростом электромагнитного момента замедление ротора (отрицательное ускорение ) будет уменьшаться и наступит новое равновесие моментов двигателя и механизм (при новом равновесии моментов момент двигателя становится равным ). Равновесие моментов двигателя и механизма наступает при более низкой (новой) установившейся скорости ротора .

      С уменьшением скорости от  до 0 – нуля ток статора непрерывно увеличивается от тока холостого хода  , [ для АД обычного исполнения, , для крановых двигателей] до значения тока короткого замыкания: .

         Но не смотря на непрерывные увеличения тока при уменьшении скорости от  до 0 – нуля, момент двигателя, начиная с критической скорости , уменьшается от значения критического момента   до пускового .

При уменьшении нагрузки будет происходить обратный процесс и равновесие моментов двигателя и механизма усановится при более высокой (новой)  установившейся скорости ротора.

Активная и реактивная составляющие тока в асинхронном двигателе

Рис.11.1 Механическая (зависимость  от M) и электромеханическая (зависимость  от I)  характеристики асинхронного двигателя

       Уменьшение момента после достижения критического скольжения (Рис.11.1 точка В, соответствует максимальному, критическому моменту при критическом скольжении)  объясняется тем, что в создании момента асинхронного двигателя  участвует только активная составляющая тока. Активная составляющая тока при уменьшении скорости уменьшается и доходит до минимального значения при остановке ротора .     

 А реактивная составляющая тока ротора при неподвижном роторе имеет максимальное значение, за счёт того, что индуктивное сопротивление ротора   имеет максимальное значение

при , , то есть, когда ротор неподвижен (зачение частоты тока  ротора равно частоте тока  статора: ).

       В однородном магнитном поле на проводник с током действует электромагнитная сила 

.

Эта формула справедлива, когда магнитное поле и проводник длиной  с током движутся в пространстве с одинаковой скоростью и взаимно неподвижны.

       Рассмотрим появление активной и реактивной составляющей тока в   асинхронном двигателе[гер 343] .

Если прямолинейный проводник с синусоидальным током

 

находится в пульсирующем с той же частотоймагнитном  поле статора с индукцией

и углом сдвига фаз вектора магнитной индукции и вектора тока равным углу  , тогда  электромагнитная сила, действующая на проводник с током длиной , находящемся в магнитном поле с индукцией  периодически изменяется с двойной частотой:

                              

                                    

Постоянная (средняя) составляющая электромагнитной силы :

       Постоянная (средняя)  составляющая электромагнитной силы зависит от временного сдвига по фазе (от угол ) синусоидальных тока и магнитной индукции, а также зависит от действующих значений  и .

У электрических переменного тока машин,  имеющих большую массу  ротора на частоте тока     50 Гц за один полупериод изменения  силы приращение импульса ротора имеет очень малое значение по сравнению с импульсом при установившейся номинальной скорости. Поэтому при рассмотрении установившихся режимов работы электропривода составляющей  можно пренебречь и учитывать только постоянную составляющую  силы  прямопропорциональную.

В случае асинхронного двигателя,  в обмотке ротора вращающееся магнитное поле статора наводит электродвижущюю силу Э.Д.С.   и под действием Э.Д.С.   по проводникам ротора протекает синусоидальный ток.

Мгновенное значение Э.Д.С.  обмотки ротора асинхронного двигателя пропорционально магнитной индукции, длине проводника и скорости относительного перемещения проводника и магнитного поля .

       В электрических машинах переменного тока Э.Д.С.   обмотки ротора совпадает по фазе с магнитной индукцией поля статора. Поэтому угол сдвига фаз между Э.Д.С.   и током обмотки ротора равен углу , углу сдвига фаз магнитной индукции и тока.

       Следовательно, в формуле  произведение  определяет значение проекции вектора  на вектор , другими словами является  активной составляющей тока ротора.

Из вышеизложенного следует, что постоянная (средняя) составляющая электромагнитной силы  , действующая на проводник с  синусоидальным током, находящимся в пульсирующем с той же частотоймагнитном  поле статора асинхронного двигателя, пропорциональна активной составляющей тока ротора =

= .

Момент асинхронного двигателя, как и любой электрической машины, пропорционален магнитному потоку   Ф и активной составляющей тока. Активная составляющая тока ротора пропорциональна косинусу угла, углу между вектором Э.Д.С. ротора и вектором тока ротора [чил 80].

 

где : конструктивная постоянная асинхронного двигателя;

          угол сдвига фаз между Э.Д.С. () и током обмотки ротора.

Непропорциональность между моментом асинхронного двигателя и током при пуске (пусковой момент меньше максимального момента несмотря на то, что пусковой токе достигает максимального значения рис.11.1) объясняется значительным снижением магнитного потока двигателя, а также уменьшением коэффициента мощности цепи ротора при пуске, за счёт максимального значения индуктивного сопротивления ротора[чил 80].

При изменении нагрузки на валу двигателя  [гер392] от нуля до номинальной значения скольжения постепенно увеличиваются до значения . При этом сохраняется неравенство

<< и  = ,

т.е. активная составляющая тока ротора   пропорциональна скольжению при значениях скольжения меньших 0.05 (при ) [гер393].

При увеличении нагрузки скольжение так же возрастает и растёт ЭДС ротора   =, а также растёт ток ротора в соответствии с , асимптотически  стремясь к некоторому предельному значению. А с ростом  уменьшается (причём на рабочем участке механической характеристики уменьшается очень мало, рис.11.1 участок DB), асимптотически  стремясь к нулю при скольжении, стремящемся к бесконечности  .

Магнитный поток двигателя также уменьшается при возрастании тока из-за падения напряжения на сопротивлениях обмотки статора [чил81]. Все эти процессы и обуславливают отсутствие пропорциональности между током и моментом двигателя.

 

А  реактивная составляющая тока ротора

с двойной частотой  и ротор, имея большую инерцию не успевает проворачиваться два раза при частоте 50Гц. Двойная частота 100Гц. Если бы ротор был тонким проводником он бы успевал проворачиваться [гер344]. Поэтому при анализе установившихся режимов нужно учитывать только постоянную (средную) составляющую электромагнитной силы .


 

А также другие работы, которые могут Вас заинтересовать

3671. Елементи автоматизації технологічних розрахунків 132 KB
  Елементи автоматизації технологічних розрахунків В модулі надано приклад математичних моделей, які використовуються при вирішення задач по розрахунку режимів різання. Завдання по темі: розробити і від тестувати програми , які реалізують наведена ...
3672. Алгоритми сортування в одновимірних масивах 42.5 KB
  Алгоритми сортування в одновимірних масивах Найпростіше завдання сортування полягає в упорядкуванні елементів масиву по зростанню або убуванню. Іншим завданням є впорядкування елементів масиву відповідно до деякого критерію. Звичайно як такий критер...
3673. Алгоритми пошуку в одновимірних масивах 40.5 KB
  Алгоритми пошуку в одновимірних масивах Алгоритми пошуку застосовуються для знаходження, наприклад, у масиві елемента з потрібними властивостями. Звичайно розрізняють постановки завдання пошуку для першого й останнього входження елемента. В усіх ниж...
3674. Аналіз позакласних виховних заходів 29 KB
  Аналіз позакласних виховних заходів Важлива роль у вихованні студентів, розширенні і поглибленні їхніх знань, розвиткові творчих здібностей належить спеціально організованій в Рівненському музичному училищі виховній роботі у позанавчальний час. Поза...
3675. Загальне мовознавство Конспект лекцій 147 KB
  ЛЕКЦІЯ № 1 ВСТУП МЕТА: з’ясувати суть, мету, предмет і об’єкт загального мовознавства, його роль і місце в лінгвістичній освіті. ПЛАН 1. Мета, завдання курсу "Загальне мовознавство". 2. Місце серед інших лінгвістичних дисциплін. 3. Загальн...
3676. ЕП системи наведення з керуванням на основі програмованого логічного контролера VIPA-100. 5.95 MB
  За темою бакалаврської кваліфікаційної роботи мною був розроблений і виготовлений стенд з електромашинним агрегатом для дослідження ЕП системи наведення з керуванням на основі програмованого логічного контролера VIPA-100. Промисловий контролер...
3677. Методические основы оценки ущерба от чрезвычайных ситуаций 135.5 KB
  Методические основы оценки ущерба от чрезвычайных ситуаций При оценке ущерба от чрезвычайных ситуаций (ЧС) необходимо опираться на существующий нормативный аппарат анализа экономических ущербов от негативного влияния хозяйственной деятельности. Важн...
3678. Техническое обслуживание и ремонт пускового карбюраторного двигателя ПД-10У. № 866 597.5 KB
  Техническое обслуживание и ремонт пускового карбюраторного двигателя ПД-10У. № 866 Введение Карбюраторными двигателями называют двигатели, в которых основная часть процесса приготовления рабочей смеси жидкого топлива с воздухом осуществляется вне ци...
3679. Методы расчета сложных электрических цепей 209 KB
  Методы расчета сложных электрических цепей Расчетное задание Для заданной электрической цепи, в которой, а остальные параметры указаны в таблице, требуется рассчитать: все токи и напряжения методом контурных токов все токи и напряжен...